3D打印課程設(shè)計(jì)與應(yīng)用的實(shí)踐研究

林勇男

2013年開始，3D打印技術(shù)由軍事等應(yīng)用領(lǐng)域開始走向各個領(lǐng)域與行業(yè)，也逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，其在小學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用探索也如火如荼地展開。本文介紹了我校探索3D打印小學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的實(shí)踐，從最初的項(xiàng)目引進(jìn)到六人社團(tuán)開設(shè)，再到現(xiàn)在的校本普及推廣課程的過程;其中在探索過程中遇到的軟硬件、課程設(shè)置等問題及解決的辦法;最后總結(jié)了完善課程體系構(gòu)建，并逐步適應(yīng)教育教學(xué)走進(jìn)不同學(xué)科課堂，對教育教學(xué)產(chǎn)生的深刻影響和變革。

隨著3D打印技術(shù)逐步進(jìn)入各個產(chǎn)業(yè)，以及由于此技術(shù)本身的快速成型，有效鍛煉學(xué)生的空間思維等性質(zhì)，可以作為一個很好的教育載體，同時學(xué)習(xí)理論、教學(xué)理論以及“經(jīng)驗(yàn)之塔”理論都為 3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用提供了很好的理論依據(jù)。3D 打印技術(shù)在本質(zhì)上是多媒體技術(shù)的延伸， 是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的延伸，它拓展了人的感覺和知覺，促進(jìn)了人的思維能力的進(jìn)一步發(fā)展，它與教學(xué)的融合勢在必行，因此，全國各地區(qū)的信息技術(shù)教師積極投身3D打印課堂應(yīng)用的研究中。

我校也在2014年引入3D打印機(jī)，3D打印校本課程也隨之開設(shè)，是區(qū)最早開設(shè)3D打印課程的小學(xué)。自社團(tuán)開設(shè)至今，現(xiàn)已經(jīng)將3D打印發(fā)展為常規(guī)課程普及?！白寣W(xué)生走向世界，讓世界走進(jìn)學(xué)?！?，讓孩子們在校園中能體驗(yàn)到前沿科技的魅力，3D打印技術(shù)正悄然進(jìn)入孩子們的學(xué)習(xí)。

一、初識3D打印，尋找切合深度

作為一名教師，面對新的科技將其應(yīng)用于自己的教學(xué)，沒有標(biāo)準(zhǔn)的教材可以參考，除了興奮，剩下的也就是擔(dān)心。一切都是摸著石頭過河，從使用軟件建模到模型打印遇到了各種各樣的問題。

（一）建模軟件和格式轉(zhuǎn)換軟件

建模軟件可謂是這門課的核心，也是最能鍛煉學(xué)生思維的載體。因此選用合適的3D打印軟件是首要問題，市面上的3D 建模軟件參差不齊，本人接觸過的就有3DMAX、Maya、Rhino等，但是這些軟件對于小學(xué)生來說界面功能以及操作都稍顯復(fù)雜，雖然我校的機(jī)房配套電腦的配置較高，如果要長時間的運(yùn)行以上專業(yè)級別的軟件，還是相對困難，經(jīng)常會出現(xiàn)卡頓閃退等現(xiàn)象。因?yàn)?23Ddesign這款軟件功能強(qiáng)大，對機(jī)器要求不高，操作簡單，界面簡潔，適合小學(xué)生入門級的學(xué)習(xí)，最終成為我校3D打印課程的學(xué)習(xí)軟件。

格式轉(zhuǎn)換軟件，用了通用配套的Cura。Cura軟件的參數(shù)設(shè)置相對來說比較復(fù)雜?；镜脑O(shè)置需要認(rèn)識，非常容易出錯，在使用初期，在設(shè)置的時候，未將支撐選擇，結(jié)果導(dǎo)致作品懸空的地方無法成型，直接成為一坨塑料。

在使用轉(zhuǎn)換格式軟件的時候，還需要注意以下幾點(diǎn)：1.機(jī)型必須匹配，不然無法打印。2.支撐類型需要選擇，一種是線性還是實(shí)體，這將關(guān)系到打印完成品后期的處理，有的過于牢固，鏤空處就無法將鏤空的支撐去除。3.噴嘴和打印厚度需根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

（二）3D打印機(jī)的使用

由于購買的桌面級機(jī)器屬于基礎(chǔ)型，在使用之初發(fā)現(xiàn)打印無法成型，經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)，是由于天氣過冷打印機(jī)吐的絲過快地凝固無法牢固地粘貼在平臺上，之后再平臺上貼上了雙面膠紙才算解決（建議購買時能入手平臺可加熱的機(jī)型）;當(dāng)然在使用了一段時間后，打印機(jī)也出現(xiàn)過各種出現(xiàn)如無法自動調(diào)平，無法吐絲，打印頭堵塞等，無論電機(jī)驅(qū)動損壞還是調(diào)頻紅外模塊失靈，最后都想到了辦法解決。

（三）課程的設(shè)置

將3D打印應(yīng)用于課堂，3D技術(shù)本身只是載體和形式，教學(xué)的設(shè)計(jì)才是核心。因此我們要確定適合小學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，以及怎樣教授更符合小學(xué)生的思維邏輯，最后把握適合小學(xué)生的難度。

首先我們要教軟件建模，因?yàn)檐浖氖炀毷褂貌拍茏屝W(xué)生自由創(chuàng)作有了基礎(chǔ)，而在軟件中建模是最能鍛煉學(xué)生空間思維的一個過程，因此是重點(diǎn);我們還要讓學(xué)生學(xué)會格式轉(zhuǎn)換和自己動手打印，建模、轉(zhuǎn)換和打印才是一個完整3D打印的過程;模型的后期處理，往往我們打印出來的模型是比較粗糙的，需要我們自己動手處理上色等;我們還需要開放課堂，讓學(xué)生自主思考，發(fā)展孩子的創(chuàng)新性思維。

其次為了讓課程更加適應(yīng)小學(xué)生的思維模式，讓課程以任務(wù)驅(qū)動教學(xué)，而不是技能單獨(dú)學(xué)習(xí)。并且在一年的學(xué)習(xí)中讓學(xué)生去掌握簡單而常用的功能，同時結(jié)合我校的節(jié)日主題等將教學(xué)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)如下：

1.初識3D打印——了解3D打印技術(shù)

2.可愛的米奇——視角切換、移動的應(yīng)用

3.小小火柴人——平移、旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用

4.兔子書簽——直線和曲線的應(yīng)用

5.創(chuàng)意花瓶——旋轉(zhuǎn)成型的使用

6.個人印章——文本輸入的學(xué)習(xí)應(yīng)用

7.圣誕快樂——圣誕樹裝飾品制作

8.機(jī)器貓伴你行——機(jī)器貓的制作

9.小黃人來啦——小黃人制作

10.我是海賊王——海盜船的制作

11.HWFl 校園沙盤

二、六人社團(tuán)打印課到年級普及校本課

我校的3D打印課從開始的六人興趣小組到現(xiàn)在的校本課程普及課，孩子們一直保持著濃厚興趣，除了課程設(shè)置的內(nèi)容有趣外，主要原因在于3D打印其本身的性質(zhì)分不開，需要學(xué)生的空間思維能力發(fā)展到一定高度。

六人興趣小組的時候，孩子們一起在校園中觀察學(xué)校建筑的結(jié)構(gòu)，每位同學(xué)設(shè)計(jì)建模出來的學(xué)校建筑讓作為老師的我們都感到了孩子的潛力無限。從模仿到自主創(chuàng)作，從兩三個基礎(chǔ)模型的堆疊到復(fù)雜的布爾運(yùn)算陣列運(yùn)用，思維的火花在碰撞。

在普及課上我調(diào)整課程的內(nèi)容的設(shè)置，將課堂改為小組合作制，3人一組，共同協(xié)作完成一個項(xiàng)目，每個人負(fù)責(zé)項(xiàng)目中的不同部分，協(xié)調(diào)辦公。同時我也嘗試將機(jī)器人與3D打印融合。讓三年級的同學(xué)也能嘗試動手體驗(yàn)機(jī)器人課程。經(jīng)過如此一改變，同學(xué)們都找到了適合自己的位置，發(fā)揮自己的最大作用。不僅提高了對3D課程的興趣，課堂的項(xiàng)目完成度也非常高，基本每個小組都完成了要求的內(nèi)容。

三、思索

3D打印技術(shù)可以讓孩子們體驗(yàn)到最前沿的科技，也可以很好地將學(xué)生的想法具象化地表現(xiàn)出來，不像傳統(tǒng)的信息技術(shù)，只能停留在思維的模擬中。3D打印技術(shù)配合合理的課程設(shè)計(jì)可以很好地激發(fā)孩子們創(chuàng)造力，將自己的想象力更加便捷直接地變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，成為一個可以很好地培養(yǎng)孩子創(chuàng)造性思維以及動手能力的平臺。相信隨著課程的延伸，孩子們能學(xué)到更多，對于自身能力的提升將更大。

從兩年多的探索中，雖然孩子們學(xué)習(xí)到了3D打印的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出了不少優(yōu)秀的作品，但是整體課程的設(shè)置還是很多的不足之處：

首先，3D打印機(jī)的數(shù)量少導(dǎo)致學(xué)生無法及時打印，使得整個課程中完整的打印過程被分割，效果比較差;其次，由于機(jī)器的不穩(wěn)定性，經(jīng)常會出現(xiàn)硬件故障，課堂的進(jìn)度和效果大打折扣;第三，打印機(jī)精度不夠，很多同學(xué)的復(fù)雜設(shè)計(jì)無法很好地打印呈現(xiàn)，在精度高的打印機(jī)出來之前，只能對學(xué)生設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)做一定的要求;第四，課堂時間過少，特別是軟件需要學(xué)生去熟悉和掌握，一年的時間對于一些接受能力較弱的孩子，除了學(xué)習(xí)不夠扎實(shí)外，容易造成學(xué)習(xí)積極性的打擊，認(rèn)為自己學(xué)不好，自信心容易受挫;第五，缺少一個完整明確的評價(jià)體系與標(biāo)準(zhǔn)，難以對創(chuàng)意性和生產(chǎn)精確性進(jìn)行權(quán)衡，比如我對于一個花瓶，你可以設(shè)計(jì)得造型獨(dú)特甚至是傳統(tǒng)工藝所無法實(shí)現(xiàn)的，你也可以設(shè)計(jì)成一個美麗完美對稱的傳統(tǒng)花瓶，這個時候我們就很難給予評分，只能從兩個維度進(jìn)行比較。我認(rèn)為在小學(xué)階段，學(xué)生的學(xué)習(xí)還是以自主的創(chuàng)作為主，建立三維空間的概念。

2012 年 4 月，英國經(jīng)濟(jì)學(xué)家保羅·麥基里在《第三次工業(yè)革命》一文中，將 3D 打印技術(shù)譽(yù)為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一，引發(fā)了世人對 3D 打印技術(shù)的強(qiáng)烈關(guān)注。 3D 打印技術(shù)前景廣闊，有機(jī)構(gòu)預(yù)測它是一項(xiàng)革命性技術(shù)，將引領(lǐng)一個革命性時代的到來。美國新媒體聯(lián)盟（NMC）在《地平線報(bào)告 2013 年（基礎(chǔ)教育版）》中也指出，未來 4～5 年，3D 打印技術(shù)將成為主流趨勢。

隨著3D技術(shù)的不斷升級和完善，其必將會合理地運(yùn)用到不同的學(xué)科;在未來的發(fā)展中，也必將成為教育教學(xué)變革的一大助力。

【作者單位：杭州上海世界外國語小學(xué) ?浙江】